Мембранное фильтрование

Является частным случаем технологического процесса фильтрации и в отличие от традиционного фильтрования базируется на явлении обратного осмоса. Под обратным осмосом понимают диффузионный перенос растворителя через мембрану из зоны с большей концентрацией в зону с меньшей концентрацией.

Осмос – самопроизвольный переход растворителя через полупроницаемую перегородку в раствор. Давление, при котором наступает равновесие, называется осмотическим. Если со стороны раствора приложить давление, превышающее осмотическое, то перенос растворителя будет осуществляться в обратном направлении. Это явление называют обратным осмосом. (рис.)

Движущей силой мембранного фильтрования является градиент (перепад, разность) давлений до и после мембраны.

Весь технологический процесс фильтрования делят на следующие виды:

- обычное фильтрование (классическое) (р= до 0, 06 МПа, d_пор > 10 мкм)

- микрофильтрация (р= до 0, 1 МПа, d_пор = 0, 1-10 мкм)

- ультрафильтрация (р= 0, 1-2 МПа, d_пор = 3-100 нм)

- обратный осмос (р= 1-25 МПа, d_пор = < 3 нм)

Микрометр - мкм (mм) 10^-6

Обычное фильтрование

(фильтровальная бумага, асбест, ткани и т.д.). Диаметр пор равен от нескольких десятков до нескольких сотен микрометров. Оно позволяет эффективно задерживать только механические частицы (видны невооруженным глазом) и какую-то часть коллоидных частичек. Причем по толщине фильтра структура пор неупорядочена и неоднородна.

Обычные фильтры отличаются наличием тупиковых ответвлений пор. Вследствие этого для обычных фильтров присуще глубинное забивание пор задерживаемыми частицами (рис.)

При обычном фильтровании давление равно десятым долям атмосфер.

Причем, при повышении давления задерживаемые частицы уплотняются, закупоривают поры и тем самым снижают производительность фильтра.

Для того, чтобы снизить этот отрицательный эффект и тем самым повысить производительность фильтрования на поверхность обычных фильтров намывают мелкодисперсный материал необладающий уплотнением при повышенном давлении (кизельгур, перлит, которые изготавливают из специальных обработанных вулканических пород либо геологических глин).

Обычные фильтры характеризуются линейной зависимостью производительности (л/(м²× ч)) от давления (МПа).

В микрофильтрации, ультрафильтрации и обратном осмосе в качестве фильтров используются мембраны, отличающиеся не только толщиной, но и размером пор и пористой структурой.

Мембраны способны задерживать молекулы или частицы невидимые невооруженным глазом и клетки микроорганизмов.

Причем, при обратном осмосе размер пор таков, что через мембрану проходят только молекулы растворителя.

Промышленное внедрение мембранных фильтров стало возможным только благодаря производству ассиметрических мембран (неодинаковых по толщине).

Структура таких мембран по толщине отличалась наличием очень тонкого разделительного слоя (рис). Поры в мембранах были приближенно похожи на усеченный конус. В таких мембранах отсутствовали тупиковые зоны пор и они не обладали глубинным забиванием структуры в отличие от обычных фильтров.

Рисунок 29. Электронная микрофотография поперечного сечения гиперфильтра.

Рисунок 32. Электронная микрофотография асимметричного диффузионного гиперфильтра.

Рисунок 30. Схематическое изображение пор гинерфильтров:

а — различной толщины; б — набор сит, эквивалентный гиперфильтру;

1 — поры переменного диаметра; 2 — поры постоянного диаметра; 3 — молекулы растворен­ных веществ.

Рисунок 31. Пористый гиперфильтр с коническими порами

Толщина мембранных пленок – несколько десятых долей мм. Толщина разделительного слоя на порядок меньше – несколько сотых мм.

Такая структура в мембранах создается вследствие испарения растворителя полимера мембраны в определенных условиях (давление, температура).

Мембраны II поколения имеют такую же ассиметричную структуру, но дополнительно укреплены крупнопористой подложкой. (рис.32)

Фильтруемая жидкость при обычном фильтровании подвергается очистке от нежелательных механических примесей, причем, поток жидкости перпендикулярен плоскости фильтра

Рисунок 33. Основная разница между обычной и мембранной фильтрацией

Обычное фильтрование называют тупиковым. При обычном фильтровании два потока жидкости (исходная и фильтрат), которые идентичны по химическому составу в отношении водорастворимых веществ.

При мембранной фильтрации поток фильтруемой жидкости направлен по касательной к плоскости фильтра (рис. 33). Мембраны самоочищающиеся, смываются потоком исходной жидкости.

В упрощенном виде можно сказать, что мембраная обработка жидкости сходна с молекулярным ситом.

При мембранном фильтровании три потока жидкости (исходная, фильтрат, концентрат), отличающиеся химическим составом.

Например, в концентрате больше, чем в исходной жидкости веществ, задерживаемых мембраной (высокомолекулярные вещества), в фильтрате – низкомолекулярные вещества и растворитель (рис).

Если проанализировать химический состав этих трех потоков, то в случае мембранной фильтрации будет строго соблюдаться материальный баланс по отдельным веществам и сумме:

В отличие от традиционного фильтрования при мембранном фильтровании зависимость производительности мембран от давления нелинейная

При мембранной фильтрации значительное влияние на производительность оказывает скорость потока фильтруемой жидкости. Чем больше скорость потока, тем выше производительность.